螺桿泵故障原因分析與躺井控制措施

李玉芹+成剛+趙培杰+王麗君

摘要：螺桿泵采油裝置是由井下螺桿泵和地面驅(qū)動(dòng)裝置兩部分組成。二者由加強(qiáng)級(jí)抽油桿作為繞軸，把井口驅(qū)動(dòng)裝置的動(dòng)力通過抽油桿的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞到井下，從而驅(qū)動(dòng)螺桿泵傲躊專子工作。本文首先對(duì)目前油區(qū)螺桿泵進(jìn)行調(diào)查，分析螺桿泵采油過程中出現(xiàn)故障及躺井等問題，主要原因是由于螺桿泵在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中油管彎曲、工作參數(shù)不合理以及轉(zhuǎn)子離心慣性力和傾倒力矩產(chǎn)生的桿管接觸載荷等原因造成井桿、管磨損，進(jìn)而造成躺井。在分析基礎(chǔ)上，提出了優(yōu)化下泵參數(shù)、桿泵優(yōu)化匹配、加強(qiáng)維護(hù)作業(yè)及日常管理工作等改進(jìn)措施，有效地延長(zhǎng)生產(chǎn)周期。

關(guān)鍵詞：螺桿泵；采油裝置；故障分析；躺井控制；對(duì)策

螺桿泵采油裝置是由井下螺桿泵和地面驅(qū)動(dòng)裝置兩部分組成。二者由加強(qiáng)級(jí)抽油桿作

為繞軸，把井口驅(qū)動(dòng)裝置的動(dòng)力通過抽油桿的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞到井下，從而驅(qū)動(dòng)螺桿泵傲躊專子工作。螺桿泵結(jié)構(gòu)所示：井下螺桿泵是由一個(gè)單頭轉(zhuǎn)子和一個(gè)雙頭定子組成，在兩件之間形成一個(gè)個(gè)密閉的空腔，當(dāng)轉(zhuǎn)子在定子內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，這些空腔沿軸向由吸入端向排出端方向運(yùn)動(dòng)，密封腔在排出端消失，同時(shí)在吸入端形成新的密封腔，其中被吸入的液體也隨著運(yùn)動(dòng)由吸入端被推擠到排出端。最終這些封閉腔隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，從泵入口向出口方向移動(dòng)，并將液體由進(jìn)口端推向出口端，排入到管線，舉升到地面。

1 螺桿泵桿管磨損致免修期短的原因分析

1.1 轉(zhuǎn)子偏心運(yùn)動(dòng)

螺桿泵的結(jié)構(gòu)特征及轉(zhuǎn)子的偏心運(yùn)動(dòng)特征，決定了轉(zhuǎn)子以及與轉(zhuǎn)子相連接的底部抽油桿做偏心旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。轉(zhuǎn)子的偏心在3-10mm，由于油管與抽油桿間的環(huán)空有限，如不采取相應(yīng)的措施，必然會(huì)導(dǎo)致底部抽油桿與油管之間的磨損。

1.2 離心慣性力作用

由于桿柱的質(zhì)量中心偏離豎直井筒的幾何中心線，在旋轉(zhuǎn)過程中，質(zhì)量偏心所產(chǎn)生的離心慣性力將使桿柱發(fā)生彎曲，當(dāng)桿柱的彎曲撓度達(dá)到油管和桿柱的徑向間隙時(shí)。桿柱將與油管發(fā)生摩擦。旋轉(zhuǎn)桿柱的軸向力是隨著井深減少的。在橫向力的作用下，桿柱發(fā)生彎曲，同時(shí)桿柱因彎曲剛度和拉壓剛度將產(chǎn)生彈性恢復(fù)力，兩者平衡時(shí)。桿柱彎曲中心線將以穩(wěn)定的弓形面繞井筒軸線做公轉(zhuǎn)，桿柱橫截而將以穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速以桿柱彎曲中心線自轉(zhuǎn)。當(dāng)井較深.桿柱的長(zhǎng)度相當(dāng)大時(shí)，桿柱彎曲和拉壓剛度相對(duì)較小，公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)的差別可以不區(qū)分。當(dāng)螺桿泵工作時(shí)，離心慣性力所引起的彎矩與轉(zhuǎn)速n和兩扶正器的間距的平方成正比，即轉(zhuǎn)速和扶正器間距對(duì)彎矩影響大。當(dāng)轉(zhuǎn)速較高，不安裝扶正器或扶正器布置較少時(shí)，離心慣性力引起的彎矩也就隨之增加，導(dǎo)致桿柱彎曲，增加了桿、管磨損的幾率。

1.3 油管彎曲

一般情況下，對(duì)于直井而言，油管發(fā)生彎曲主要有兩個(gè)原因：一是在鉆井過程中井筒本身存在著“狗腿”，井筒的彎曲導(dǎo)致油管管柱彎曲；二是目前螺桿泵井普遍采用的支撐卡瓦，由于其坐卡方式（壓油管頭）決定了油管也會(huì)存在一定程度的彎曲。顯然，油管彎曲必然會(huì)使桿、管之間產(chǎn)生接觸載荷，從而導(dǎo)致磨損發(fā)生。

1.4 日常生產(chǎn)管理

螺桿泵采油井的管理與其它機(jī)械采油井的生產(chǎn)管理相比雖然簡(jiǎn)單方便，但也有很多問題，如：地面驅(qū)動(dòng)裝置漏油、皮帶易斷更換不及時(shí)、防桿斷脫問題、熱洗較困難、測(cè)試問題、不壓井作業(yè)問題。一般比較突出的是：停機(jī)時(shí)間不能過長(zhǎng)，如皮帶斷后不能象抽油機(jī)那樣易被發(fā)現(xiàn)可及時(shí)更換，測(cè)壓長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)都會(huì)使再次起泵困難；洗井時(shí)溫度及排量要求高，洗井時(shí)溫度不能過高（超過定子橡膠所承受耐熱溫度）；排量不能過大，否則過大排量的洗井液就會(huì)使螺桿泵超速旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致抽油桿柱承受的是退扣扭矩，造成桿柱退扣。

例如采油廠某井有結(jié)垢史，采油隊(duì)拆電作業(yè)停井時(shí)間過長(zhǎng)，導(dǎo)致垢物沉淀入泵筒內(nèi)，開機(jī)后發(fā)生泵卡，拆解泵，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子卡在定子內(nèi)，導(dǎo)致上部桿扭矩過大而發(fā)生斷裂，定子內(nèi)堵滿垢，定子上部油管內(nèi)約1.7米垢（經(jīng)化驗(yàn)98%酸溶），該井僅生產(chǎn)42天。

2 延長(zhǎng)螺桿泵免修期對(duì)策

2.1 優(yōu)化下泵參數(shù)

為保證螺桿泵能高效、長(zhǎng)期正常運(yùn)轉(zhuǎn)，必須確定合理的下泵參數(shù)。從檢泵原因分析可看出，要有效地減輕桿、管磨損，防止桿斷脫，必須降低扭矩、彎矩，減少共振。要達(dá)到以上目的，就必須讓螺桿泵在中、低轉(zhuǎn)速運(yùn)行。為此，在下泵設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)油井產(chǎn)能，在滿足供排要求的前提下，以最低速為目標(biāo)，選擇泵型。確定合理折泵型和轉(zhuǎn)速，優(yōu)選大泵，均以最低轉(zhuǎn)速投產(chǎn)。優(yōu)化設(shè)計(jì)下入101口井，借檢泵時(shí)機(jī)換大泵26口，平均轉(zhuǎn)速為101 r/min。目前這些井均未因桿、管磨損和桿斷原因造成檢泵。

2.2 桿泵優(yōu)化匹配

針對(duì)螺桿泵應(yīng)用中普遍存在的桿柱斷脫問題，同時(shí)綜合考慮過流面積、抗扭能力、系統(tǒng)安全和成本投入等因素，在1200及以上型泵上用φ28 mm實(shí)心錐扣SHY級(jí)工藝桿，取代原φ38mm及φ42mm空心D級(jí)桿。φ28mmSHY級(jí)工藝桿在總直徑不變的情況下，將原HY級(jí)桿外壁加厚，由3.0mm增加到3.5mm，大大增加了桿的抗扭強(qiáng)度。φ28mm桿與φ38mm，及φ42mm空心桿相比可增大過流面積，減小沿程阻力，相應(yīng)降低扭矩，提高桿的抗彎、抗拉、抗扭和耐磨程度，防止因偏。

2.3 加強(qiáng)維護(hù)作業(yè)優(yōu)化。針對(duì)偏磨問題，曾經(jīng)使用了旋轉(zhuǎn)扶正器，但是尼龍扶正體耐磨性差，易損壞，壽命小于半年，例如某井4月份作業(yè)時(shí)，生產(chǎn)217天，扶正塊磨損嚴(yán)重，部分脫落，偏磨管漏。自2012年開始未在使用。2016-1-27上返補(bǔ)孔單采，下入原井GLB1200DT21螺桿泵生產(chǎn)，生產(chǎn)12天桿斷躺井，提出后鑒定泵，定子橡膠氣侵溶脹，扭矩增大造成桿斷。使用125天。

2.4 加強(qiáng)日常螺桿泵采油管理

日常螺桿泵生產(chǎn)管理中，主要注意一下幾個(gè)方面：所有應(yīng)用螺桿泵的油井，需在井口加裝單流閥；提掖井及措施井在試生產(chǎn)初期必須選用低轉(zhuǎn)速開井，以防止供液不足造成燒泵；開井初期要加密觀察油井出液情況和動(dòng)液面測(cè)試，對(duì)于于液面波動(dòng)較大的油井，及時(shí)與地質(zhì)、工藝結(jié)合定下步措施；取全取準(zhǔn)油井資料，電流變化值大于2A或過流跳閘時(shí)，應(yīng)加測(cè)動(dòng)液面化驗(yàn)原油粘度及含砂，對(duì)比產(chǎn)量變化，分析泵工作狀態(tài)，確定是否洗井、檢泵或檢修驅(qū)動(dòng)設(shè)備；螺桿泵井生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)沉沒度低于100m時(shí)，必須馬上停井并將情況上報(bào)；對(duì)于油稠、結(jié)臘井，因各種原因停井后再開時(shí)，應(yīng)采取熱水洗井措施進(jìn)行治理；對(duì)于結(jié)垢井，需停井再開井前，應(yīng)將定子提出泵筒并徹底洗井后，才能開井，并時(shí)刻關(guān)注電流變化。

參考文獻(xiàn)

[1]萬仁溥. 采油工程手冊(cè). 北京：石油工業(yè)出版社，2000.8endprint